玉米干燥傳熱傳質理論及干燥工藝發展趨勢分析

□ 朱靖宇 王啟民

（沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

我國作為世界第一人口大國和糧食生產大國，保障糧食安全是一項關乎國計民生的重大戰略問題。玉米作為我國三大農作物之一，在食品、醫療、養殖等行業都是必不可少的原料。我國是世界第二大玉米出產國，2020年，我國玉米年產總量達到世界玉米年產總量的25.8%。而東北三省是我國最大的玉米出產區，其玉米播種面積占全國玉米播種總面積的31.6%以上。該地區玉米收獲主要集中在十月份，由于溫度低、濕度大，致使新收獲的玉米含水率高達25%～45%，如若不能及時進行集中干燥處理，極易產生發芽、蟲蛀、霉變等腐爛變質問題，從而造成極大的資源浪費和經濟損失。在過去，我國在玉米干燥領域主要采用的是人工自然晾曬的干燥方式，目前在我國相對落后地區，該方法依舊是個體農戶干燥糧食的主要方法。但這種方法費時費力，且極易受到天氣和晾曬場地的限制，只能解決小部分濕糧的干燥問題，無法及時快速地降低大規模糧食的含水率，糧食因霉變等造成的損失并未得到明顯改善。近年來，隨著我國糧食機械化收獲技術的快速發展與普及，糧食收獲效率迅速提高，為了使大規模濕糧在收獲后及時得到干燥處理，降低糧食霉變率，通過機械設備對玉米進行大規模集中干燥顯得尤為重要。

玉米干燥過程是一個高耗能的過程，主流干燥方式——燃煤熱風干燥能耗高、污染大，不符合當下追求節能減碳的大背景。因此，為了實現玉米干燥過程的高效清潔，并保障干燥后穩定達標的出品品質，對玉米籽粒干燥過程的理論研究和干燥工藝創新是未來該領域研究的重中之重。

一、玉米干燥理論分析

（一）玉米籽粒基本結構及水分存在形式

玉米籽粒內部為多組分結構，主要由外層種皮、硬質胚乳、軟質胚乳和胚等部分組成。籽粒內部的水分就儲存在這些組分細胞中。這些水分主要分為三種：機械結合水，物理、化學結合水。其中，機械結合水主要以液態形式存在于物料的表面和細胞間較粗的毛細管中，與絕干玉米結合較為松散，易于蒸發，這部分水又稱為自由水，干燥過程主要除去的就是這部分水。化學結合水經過化學反應后，以一定的比例滲透于分子內部，其結合牢固，常規方法難以去除。這部分水分只能通過化學反應或非常猛烈的熱處理時才能去除，而這種過程勢必會導致玉米籽粒品質遭到破壞，這部分水分不需要被干燥去除。物理、化學結合主要包括滲透水、吸附水和結合水，因此，這部分水與玉米絕干部分結合得也較為緊密，但其與物料的結合沒有嚴格的數量關系，這部分水分以氣態形式排出［1］。

（二）玉米籽粒干燥傳熱傳質機理

玉米籽粒作為一種典型的多孔介質物料，其干燥過程是一個復雜的熱量、質量和動量耦合傳遞過程。以熱風對流干燥為例，高溫熱風與待干燥物料不斷接觸，進行熱質交換，熱量傳遞給濕物料，使其內部的水分氣化、擴散，產生的濕氣以對流形式排出，從而實現干燥。從干燥推動力來看，當玉米籽粒表層所含水蒸氣的分壓與周圍環境中所含水蒸氣的分壓，壓差為正時，水分可以從玉米籽粒表層蒸發至環境中，實現干燥，這個過程稱為解吸；當它們之間的壓差為負時，玉米籽粒的含水率已經降至其平衡含水率以下，此時，環境中的水分就會遷移到籽粒表層，這個過程稱為吸附。由此可知，水蒸氣的分壓差是干燥過程中的主要推動力。玉米籽粒干燥過程可以分為兩個階段。干燥初期，籽粒表層水分迅速蒸發，籽粒內部水分不斷擴散至表層。當籽粒內部擴散的水分不能立即補充至表層后，進入降速干燥階段，該節點對應的含水率稱為臨界含水率。在達到這個節點后，由于籽粒內外水分不平衡，此時可以通過恒溫緩疏的方法，在籽粒內外部水分趨于平衡后繼續進行對流熱風干燥，即可再次進入恒速干燥階段，直至籽粒含水率下降至目標值后停止［2］。

（三）國內外研究歷史

國外科學家早在20世紀就開始對多孔介質干燥過程中的傳熱傳質機理進行研究。1929年，Sherwood首先提出濃度梯度是多孔介質濕分遷移過程中的源動力［3］。1990年，Parti對玉米干燥傳熱傳質過程進行研究，提出玉米擴散系數受到溫度和含水率的影響，并建立了新的玉米擴散系數模型方程［4］。上述學者在研究過程中將玉米看作單組分物質進行處理。事實上，與水稻和小麥相比，玉米籽粒的結構和組成更加多樣化。為了使研究結果更加精確，需要對玉米內部不同組分進行具體分析。1987年，Syarief等人通過在玉米表面涂不透水涂層、調節探管的孔徑及位置的方法來測得玉米各組分的擴散系數，建立了玉米組分擴散系數隨含水率變化的數學模型。結果表明，胚芽的擴散系數最大，其次是硬質胚乳和軟質胚乳，最后是果皮［5］。2000年，Nemenyi等人將玉米籽粒分為胚和胚乳兩個組分來進行研究，建立了玉米二維仿真模型并求得數值解，得到了單個玉米籽粒橫截面內部的熱量和水分分布［6］。

我國關于干燥理論的研究相對國外開展較晚，1995年，賈燦純建立了玉米的二維多組分仿真模型，計算籽粒干燥過程中溫度變化和水分分布情況，結果表明，在干燥開始階段，玉米內部溫度迅速上升，而水分分布呈現由內而外逐漸降低的趨勢［7］。2006年，劉雪強利用彈性應力模型，研究了玉米籽粒干燥過程中濕熱應力的變化情況［8］。

隨著計算機技術的快速發展，能夠實現多種物理場耦合的仿真模擬軟件逐漸成熟，致使通過仿真研究得到的結果跟實驗結果誤差更小，干燥中的傳熱傳質過程可視化程度也大大加強。2012年，孔寧華等基于玉米籽粒實體化模型進行了數值模擬，研究表明，玉米干燥過程中濕度梯度及其產生的濕應力占主導作用［9］。2017年，黃凱等利用COMSOL對玉米顆粒單組分模型和多組分模型進行模擬研究，并與實驗結果進行對比，結果表明，多組分模型與單組分模型相比更加精確，更加貼近實驗真實情況［10］。

二、玉米干燥技術分析

目前，農產品干燥領域的主流方法包括燃煤熱風干燥、真空干燥、微波干燥以及多技術聯合干燥等。從國內外有關玉米干燥理論和工藝設備研究的發展現狀來看，這些技術無法同時實現可大規模連續干燥，高效清潔以及良好的出品品質等要求，例如真空干燥等高效清潔的干燥技術，其設備建設維護成本較高，難以大規模推廣。通過對這些干燥工藝優劣勢以及未來發展趨勢的綜合評價，以期加強玉米干燥技術的研究和推廣應用。

（一）常壓對流熱風干燥

玉米對流熱風干燥技術是目前應用最廣泛的干燥技術，其原理是通過燃燒化石能源產生熱能，利用換熱器和引風機等設備將冷空氣加熱產生熱風，熱風在干燥室內以不同方式流動，并與待干燥物料充分接觸，進行熱質交換，最終干燥至目標含水率。該技術熱源燃料大部分采用煤炭，也有少部分利用生物質、燃油等。熱風干燥技術在實際生產中分為兩大類：連續式干燥技術和循環式干燥技術。其中，連續式干燥技術按照糧食流向與熱風流向來分類，可分為順流干燥、逆流干燥、橫流干燥和混流干燥，以及這四種方式的不同組合。按照熱風供給溫度的不同，又可分為一級風、二級風和三級風，分別對應一擋高溫熱風、雙擋高低溫熱風、三擋高中低溫熱風。循環式干燥技術主要應用于稻谷的干燥，多為橫流和混流式干燥。

對流熱風干燥技術操作簡單、成本低廉，干燥速度較快，且適合大規模連續集中干燥，但其弊端在于，較高的熱風溫度會對部分玉米籽粒造成熱損傷，從而產生一定的裂紋，其色香味及營養物質也會受到一定的破壞，導致出品品質降低，該方法不適合對出品品質要求較高的物料進行干燥。熱風干燥設備在當下存在污染嚴重和余熱利用率低的問題，燃煤產生的大量煙氣和干燥后的大部分濕熱乏氣未經處理直接排入環境，造成嚴重環境污染的同時，損失了大量可利用熱能，導致能耗提高，經濟效益下降。

（二）真空干燥

玉米真空干燥技術利用水蒸發溫度的高低隨環境壓力大小變化的原理，在近似真空的環境中，玉米顆粒中的水分在壓力梯度等多種梯度共同作用下，不斷從顆粒內部擴散至顆粒表面，并在顆粒表面氣化析出，從而實現干燥效果。

相比于熱風干燥，真空干燥可在低溫條件下進行，其逆滲透作用可使玉米中的水分獨自移動，克服了溶質失散現象，提高了籽粒的出品品質。該技術處理量大、降水幅度高，產后品質好，但其弊端在于，設備建造一次性投資較高，倉體保溫性、密封性要求較高，維護費用高，導致無法大規模推廣。

（三）微波干燥

微波在其傳導范圍內會產生交變電磁場，固體物料和其中的水分作為電介質，水分子在交變磁場中迅速激化，水分子間摩擦生熱，從而實現干燥。微波本身穿透性極強，待干燥物料內外部可以同時受熱，干燥均勻度好，干燥速度快，產后品質好。微波干燥裝置大部分由金屬制成，金屬本身不會吸收微波，因此，微波可以近乎無損地作用于玉米顆粒。相比于熱風干燥溫度調節較慢，裝置熱慣性大，干燥后裝置仍有大量余熱等缺點，微波干燥裝置自動化程度高，調溫迅速，即開即停，熱慣性小，不會產生過多余熱，能量利用率顯著提升。微波干燥技術雖然有很多傳統熱風干燥所不具備的優點，但是其缺點與真空干燥技術缺點類似，即設備制造和運行成本較高，需要定期檢查，且大規模的集中微波干燥尚未普及。同時，微波干燥技術利用的是電能，目前我國仍是火力發電占主導，大規模的使用微波干燥，相當于間接使用了火力發電中的熱能，能源在這一過程中進行了多次轉換，并不能達到能源高效利用的目的。

（四）聯合干燥

在國家大力重視各行業節能減排的大背景下，結合玉米干燥理論與技術分析，可以發現，單一的干燥技術難以兼顧干燥成本、干燥效率和干燥品質等多方面要求。聯合干燥針對不同地區、不同物料的特點，可彌補單一干燥技術帶來的局限性，實現節能環保、保質高效的干燥效果。現有研究包括熱風微波干燥、太陽能生物質聯合干燥、熱泵與傳統燃煤熱風聯合干燥等。

三、玉米干燥理論與技術的發展趨勢

（一）玉米干燥理論研究趨勢

雖然現有研究采用的玉米籽粒模型精度較高，但這些研究大多是對單個玉米籽粒干燥過程中的傳熱傳質情況進行模擬。實際工程中，玉米對流熱風干燥多為深床干燥，相對于單個玉米籽粒的干燥或是薄層干燥，多層玉米干燥會出現一定的干燥不均勻度，以及在不同干燥區域，籽粒裂紋率不同的情況，未來對多層玉米干燥影響因素和應力模擬值得研究。熱風干燥塔內除了干燥段，還存在緩蘇段和冷卻段，目前對基于多組分模型的玉米顆粒緩蘇過程的數值模擬研究較少。

（二）玉米干燥技術發展趨勢

在國家提出“碳達峰，碳中和”的背景下，應該大力發展高效清潔的新型干燥技術。未來玉米干燥技術的發展趨勢包括：

①大力發展高效清潔的聯合干燥技術，彌補單一技術帶來的技術局限性；

②通過部分改造和尾氣處理提高現有燃煤熱風干燥系統的余熱回收能力，同時對熱風爐、換熱器、熱風機和干燥塔進行保溫處理，從而減少熱損失；

③優化玉米皮屑回收技術，重視雜質集聚、堵塞管路等問題，改善作業及周邊環境，同時提高換熱器熱效率；

④大力發展儲能技術，將夜晚廉價低谷電、風電光伏發電產生的棄風棄光等電能轉化為熱能儲存起來，實現干燥熱源的更新換代；

⑤充分發揮固體生物質燃料低成本、低污染的特點，提高生物質燃燒的燃燒效率，研制適合稻殼、秸稈等生物質燃料的熱風裝置；

⑥發展在線檢測玉米水分技術，提高檢測系統的精確度和穩定性，提高玉米干燥過程的可控性；

四、結語

隨著我國玉米產量和儲藏需求的連年提高，玉米干燥設備的需求量隨之不斷增加。為了應對不同地區對干燥技術需求的差異，應進一步深化玉米干燥理論研究，同時大力發展新型聯合干燥技術，推動玉米干燥熱源升級換代，使干燥設備能夠兼顧能耗低、效率高、污染小、出品品質好等多種要求，使玉米干燥行業朝著高效清潔的方向蓬勃發展。